- English
- Русский
Металлоплакирующие смазочные материалы
Многие десятилетия (более 60 лет) для обеспечения нормального режима работы и снижения износа сопряженных пар трения в смазочные материалы для химического модифицирования поверхностей трения вводились противоизносные – противозадирные присадки, включающие элементы V, VI, VII групп системы Менделеева, в основном S, Cl,
Р-содержащие соединения в количестве до 15 %.
Общим в механизме действия защиты поверхностей трения таких присадок является образование тонких пленок около 0,1 мкм в виде сульфидов, хлоридов, фосфидов в результате химического взаимодействия присадок или продуктов их химического распада с контактирующими поверхностями. Роль модифицирующих слоев состоит в насыщении свободных связей кристаллической решетки ювенильных поверхностей, обнажающихся в процессе пластической деформации при трении, и препятствовать их схватыванию и разрушению на глубину. В случае применения серо-органических соединений (толщина пленки 300…400 нм), пленка стабильна до ~800 °С; при использовании хлорсодержащих соединений образующаяся пленка полимолекулярного слоя хлоридов железа FeCl2, FeCl3
стабильна до 300 °С. Пленки фосфидов железа возникают при сравнительно низких температурах (~200 °С). Фосфорсодержащие присадки слабо повышают противозадирные свойства, но обладают антифрикционными. По противозадирным свойствам эффективны присадки, содержащие одновременно серу и хлор. По-видимому, хлориды, образующиеся на поверхности металла, повышают смазочные свойства вследствие большей пластичности, а сульфиды усиливают их действие, обеспечивая больший ротивозадирный эффект. При всех режимах трения хлорсодержащие присадки были более эффективны и их активность зависела не столько от содержания хлора в сложной органической молекуле, сколько от подвижности (хлор в алкильной группе и хлор в бензоле). Помимо термического разложения присадки могут подвергаться и гидролизу, и тогда в смазочной среде появляются активные продукты. Для подавления кислотности, для защиты от
коррозии в смазочную композицию вводились щелочные добавки. Щелочное число являлось одним из показателей ресурса рабочего масла. Защита трущихся поверхностей применением сложных элементоорганических соединений продолжается до тех пор, пока не израсходовалась присадка, после чего наблюдается ускоренный износ от каталитического действия обнаженного металла и коррозии. Недостатком использования таких присадок является и отсутствие компенсации повреждений и износа.
В связи с ужесточением условий эксплуатации машин и механизмов, большими тепловыми и фрикционными нагрузками традиционно применяемые элементоорганические присадки не могут удовлетворять требования, предъявляемые
к смазочным материалам. В решении этой проблемы получает развитие принципиально новое направление в создании смазочных материалов, основанное на научном открытии эффекта безызносности с использованием в узлах трения «металлоплакирующих» смазочных материалов, обеспечивающих высокую износостойкость деталей машин, снижение расхода горюче-смазочных материалов и энергозатрат.
Впервые термин «металлоплакирующий» появился в 1962 г. в связи с изобретением смазочного материала, реализующего эффект безызносности (избирательный перенос) –авторское свидетельство № 179609 от 14.05.1962 г., Д.Н. Гаркунов, В.Н. Лозовский, В.Г. Шимановский.
Получение исследование металлоплакирующих смазочных материалов с применением металлов переменной валентности
Металлоплакирование сопряженных поверхностей происходит в процессе работы узла трения при использовании смазочного материала, обеспечивающего условия режима избирательного переноса (эффекта безызносности) и существенно отличается от граничного трения, где определяющим является адсорбция смазки и механическое взаимодействие. Если в качестве присадки используется металлический порошок, то процесс образования пленки этого металла на поверхности трения может осуществляться либо путем намазывания (заполнения неровностей), т.е. путем механической адгезии, либо под воздействием больших контактных давлений, когда частицы металла могут вступать во взаимодействие друг с другом и с подложкой и образовывать прочную металлическую связь. При этом смазочная среда должна быть химически индифферентна по отношению к металлам, но достаточно вязкой для предотвращения слипания и седания
частиц металла. Такой процесс реализуют для меднения, латунирования различных поверхностей.
К МСМ относятся смазочные материалы, обеспечивающие образование сервовитной пленки на сопряженных поверхностях трения, реализующие эффект безызносности.
При введении в смазочную среду на минеральной или синтетической основе мягких металлов переменной валентности в различных формах соединений (порошки, оксиды, гидроксиды, металлорганические соединения, соли таких металлов, как свинец, олово,
хром, медь, цинк, бронза и др.) на поверхностях трения в местах фактического контакта образуется защитная металлическая пленка толщиной 1…2 мкм, которая в 10 раз превышает толщину пленок, образующихся при смазках с присадками химического
действия. Благоприятное действие пленки металла будет в том случае, если ее толщина в зоне контакта будет в несколько атомных слоев (Боуден). Для осуществления процесса металлоплакирования с реализацией эффекта безызносности в смазочном материале наряду с металлоплакирующим соединением необходимо наличие поверхностноактивных веществ (ПАВ) и соединений, способных растворять оксиды металлов. ПАВ участвуют в образовании комплексов, сольватированных частиц, в создании устойчивой дисперсной системы.
Существенное значение в процессе металлоплакирования имеют электрокинетические явления. В зазоре между трущимися поверхностями генерируется ЭДС с высокой напряженностью электрического поля, благодаря чему и осуществляется перенос ионов, коллоидных частиц, молекул ПАВ. Среди различных электрических явлений при трении особая роль принадлежит экзоэлектронной эмиссии, которая характеризуется излучением электронов с поверхности твердого тела, возбужденной различными способами, в том числе трением. При трении в условиях пластического деформирования возникают дефекты кристаллической решетки, происходят структурные превращения; слабо связанные электроны в возбужденных атомах перебрасываются на более высокие энергетические уровни, при этом кинетическая энергия свободных электронов увеличивается. Трение, повышая энергию решетки металлов, снижает работу выхода электронов, вызывает возникновение экзоэлектронной эмиссии, интенсивность которой зависит от состояния поверхности, от режимных факторов трения и других условий
(давление, температура).
Эмитированные свободные электроны ювенильной поверхности взаимодействуют с присутствующими акцепторами в смазочной среде (ионы металлов), восстанавливая их до нейтральных атомов (трибо-восстановительный процесс) с формированием сервовитной металлоплакирующей пленки на рабочей поверхности.
Структура сервовитной пленки.
Свойства сервовитной пленки, образовавшейся в процессе трения, иные, чем у обычного металла, полученного из руд. Такое различие обязано условиям образования пленки.
Изучение структуры сервовитной пленки методом скользящего пучка рентгеновских лучей с углом не более 1° показало, что верхние слои пленки имеют значительные структурные изменения по сравнению с нижележащими слоями. В приповерхностном слое нет скопления дислокаций (повреждений), приводящих к разрушению поверхности, пленка не способна к наклепу, пориста, имеет малые сдвиговые усилия, низкий
коэффициент трения и обладает высокой несущей способностью. Поверхностно-активные вещества, вводимые в смазочные материалы или образующиеся при трении в самой смазке, легко хемосорбируются на поверхности такой пленки, образуя хемосорбированный слой (серфинг-пленка), что способствует дополнительному смазыванию и снижению коэффициента трения. В режиме избирательного переноса (безызносности) протекают самоорганизующиеся процессы, приводящие при трении к диссипативной структуре, которая характеризуется:
• гомогенной средой;
• наличием фазового кинетического перехода (переход от консервативного передвижения дислокаций к переползанию;
• обменом энергией и веществом с внешней средой (образование и распад комплексных соединений в смазке);
• ускорением потоков диффузии при пластической деформации.
Благодаря этим процессам диссипативная структура может существовать без финального исхода. Среди металлов, вводимых в смазочные материалы, наибольшее распространение получила медь и ее производные. Давно известно традиционное использование органических солей меди в качестве гомогенных катализаторов окисления углеводородов.
Позднее была обнаружена способность органических соединений меди к антиокислительному действию и возможность усиления эффективности органических антиоксидантов путем координирования их функциональных групп с соединениями меди.
С открытием ИП все чаще стали появляться работы с применением соединений переходных металлов для повышения износостойкости узлов трения. Добавка незначительного количества комплексообразующего агента к смазкам заметно улучшает
их смазочные свойства при трении медного сплава по стали, а введение готового комплекса меди – при трении стальных поверхностей. Следует заметить, что для повышения износостойкости и несущей способности различные металлосодержащие добавки чаще всего использовались в консистентных смазках, буровых растворах, СОЖ. Гораздо меньше рекомендаций по применению их в маслах, что связано, очевидно, с жесткими требованиями, предъявляемыми к маслам: сохранение реологических свойств,
растворимость, стабильность системы и др. Нами впервые показана возможность применения неорганических солей – галогенидов металлов переменной валентности в качестве добавок к маслам для улучшения триботехнических свойств поверхностей трения. Образующийся слой меди содержит продукты механохимических превращений в щелочной среде, он довольно прочен и эластичен и может быть удален с поверхности только механической обработкой и травлением. На порошковом материале слой меди образуется позже, он более рыхлый. Из разработанного железо-медно-стеклянного
материала были изготовлены втулки подшипников скольжения ванн линии мерсеризации тканей, машин отбельного и отделочного цехов красильноотделочных фабрик. Подшипниковые узлы работали в растворах едкого натра концентрации 40 г/л. В процессе работы на поверхностях трения стального вата и железо-медно-стеклянного подшипника визуально наблюдалась тонкая медьсодержащая пленка. С учетом допустимой величины рабочего зазора подшипникового узла и зафиксированной интенсивности изнашивания пары трения срок службы подшипников скольжения из разработанного материала составляет 5–6 лет, т.е. в 2…3 раза больше, чем обычно.
Материалы для слаботочных электрических контактов
В приборостроении широко используют скользящие контакты, работающие в условиях сухого трения под воздействием различных токовых нагрузок. Часто к этим условиям помимо электрических параметров (таких как постоянство переходного сопротивления, низкий температурный коэффициент электросопротивления) предъявляются требования
по определенному моменту троганья.
Одной из важных характеристик является высокая износостойкость материалов контактной пары. В связи с требованиями надежного контактирования для изготовления скользящих контактов используются сплавы из благородных металлов, которые способны длительное время противостоять окислению и, следовательно, сохранять неизменным контактное сопротивление. Практика использования благородных металлов показала, что
не все материалы обладают достаточной надежностью при работе скользящих контактных пар. Подбор материалов контактных пар, как правило, производится эмпирически.
Были проведены исследования работоспособности сплавов благородных металлов на основе золота, палладия, платины и серебра. Определялись коэффициенты трения контактных пар, их износостойкость, изменение профиля поверхности при трении, влияние формы контактирующих поверхностей и т.п. Дальнейшая работа по выбору менее дефицитных материалов для скользящих контактов показала, что явление избирательного переноса происходит и на металлокерамических сплавах на основе
серебра марок ПдСрН70-5 и ПдСр70. Явление избирательного переноса, в частности
золота, обеспечивает минимальный износ скользящих слаботочных электрических контактов. В связи с таким эффектом было предложено предварительно обрабатывать фетром с маслом ВМ-4 рабочую поверхность золотомедного сплава (ЗлХ-0,5; ЗлХ-2,8)
до получения на этой поверхности тонкой пленки золота толщиной 1…1,5 мкм. В процессе работы образовавшийся слой золота переносится на щетку, размазывается по поверхности трения. Для проверки работоспособности контактов, на которых был предварительно образован слой золота технологической полировкой фетром, были
проведены сравнительные испытания .
Испытания показали более высокую износостойкость обработанных фетром колец по сравнению с отожженными.
Присадки, композиции и смазочные материалы, реализующие
эффект безызносности
Наибольшее распространение получили металлоплакирующие присадки к СМ, образующие медную и оловянную сервовитные пленки.
1. Металлоплакирующая присадка МКФ-18, применяется в ряде отраслей: тяжелом машиностроении, рыболовецком флоте, станкостроении, сельскохозяйственной технике, автомобильном транспорте.
2. Смазка «Атланта», изготавливается на Московском экспериментальном нефтемаслозаводе, применяется в тяжело нагруженных узлах самолетов типа Су.
3. Смазка «Медея», применяется в узлах трения горнодобывающего и перерабатывающего оборудования в Казахстане.
4. Маслорастворимая многофункциональная металлоплакирующая присадка «Валена» (по
ТУ-0257-001-17368431-05), применяется в узлах трения горнодобывающего и перерабатывающего оборудования в Казахстане, в тяжело нагруженных узлах трения железнодорожного транспорта, изготавливается на Кусковском заводе консистентных смазок.
5. Смазка «Пума М» применяется для смазки пары трения «колесо-рельс». Применяется в железнодорожном транспорте, изготавливается на Кусковском заводе консистентных смазок.
За рубежом применяются такие металлоплакирующие присадки, как «Металл-5» (Швейцария, Франция), «Лубри-фильм-металл» (Италия, Франция), «Слюдер 2000» (Англия), «Реловер» (США) и др.
Приведенные сравнительные испытания российских и зарубежных металлоплакирующих смазочных материалов показали, что российские СМ не уступают зарубежным, а некоторые из них даже превосходят. Использование металлоплакирующих СМ позволяет повысить долговечность узлов трения (в 2…3 раза), снизить потери на трение (на 30…200 %) и тем самым повысить КПД машин и оборудования, уменьшить расход СМ (в 2…3 раза), увеличить период между смазочными работами (до 3 раз).
